黃宋均，顧奕翀，廖然

（中國船舶集團有限公司第七〇四研究所船舶環(huán)境工程與可靠性實驗室，上海 200031）

引言

ESS是一個過程而非普通接受和拒收意義上的試驗，其目的是激發(fā)缺陷而非模擬環(huán)境，因此要鼓勵產(chǎn)生“故障”，ESS 故障的根本原因需要在整個完整過程之前發(fā)現(xiàn)和糾正。ESS 包括了為促發(fā)使用環(huán)境中引起產(chǎn)品故障的硬故障、潛在的、間隙性的或初始的缺陷而施加一種或多種特定類型的應(yīng)力。ESS 中最常用的應(yīng)力是溫度循環(huán)和隨機振動，溫度循環(huán)和隨機振動對激發(fā)故障有互相促進作用，隨機振動后的溫度循環(huán)有時會檢測到振動誘發(fā)出不能立刻顯現(xiàn)的故障。

1 背景

在上世紀五十年代，為了減少由于缺陷的零部件導(dǎo)致的返工，美國國防部采用了部件的功能試驗，又因為零部件的“嬰兒死亡率”而引起的產(chǎn)品的初始高故障率，在上世紀六十年代又建立了組件高量級的老練，但是這些方法都沒有施加合適應(yīng)力以促發(fā)生產(chǎn)缺陷。美海軍1979 年制訂了篩選大綱NAVMAT P-9492，該篩選大綱是借鑒了格魯曼公司（即B-2 隱形轟炸機的制造公司）在上世紀60 年代末為NASA 公司的雙子星登月計劃而設(shè)計的篩選方法。對航天登月來講振動比溫度的考核重要的多，最初設(shè)計的隨機振動篩選均方根加速度rms 為3 g，但NASA 公司發(fā)現(xiàn)篩選后的產(chǎn)品還有相當多的質(zhì)量或工藝缺陷，格魯曼公司經(jīng)研究把rms 提高到6 g，經(jīng)6 個多月數(shù)百次的考核，發(fā)現(xiàn)篩選后的產(chǎn)品故障比原來少了3 倍，而且對絕大多數(shù)產(chǎn)品不會產(chǎn)生不符合實際的損傷。在隨后可靠性試驗后產(chǎn)品的基本可靠性指標MTBF 比原來提高了（50～200）%，這就是目前振動篩選6 g 的來歷和在可靠性試驗前進行篩選的一個原因。當然美海軍當時照搬航空設(shè)備篩選方法也存在某些艦船設(shè)備尤其是大型機電設(shè)備出現(xiàn)篩選過度的現(xiàn)象而影響產(chǎn)品使用壽命的現(xiàn)象，而目前的振動篩選方法對于產(chǎn)生過大共振的優(yōu)勢頻率處采用了帶谷控制以避免該現(xiàn)象的發(fā)生。美國防部在上世紀90 年代又制訂了陸海空三軍通用的TRI-SERVICE TECHNICAL BRIEF 002-93-08“環(huán)境應(yīng)力篩選指南”，對設(shè)備級產(chǎn)品規(guī)定了根據(jù)產(chǎn)品的振動響應(yīng)和設(shè)計強度進行振動篩選。

1 ESS 的好處

ESS 可暴露在鑒定和設(shè)計試驗期間未發(fā)現(xiàn)的設(shè)計局限性。另外，研發(fā)期間進行ESS 也有明顯好處，可靠性增長試驗（試驗、分析和修理）期間遇到的相當多的故障率可能是由不良工藝和有缺陷的零部件引起的，這些非設(shè)計故障可以掩蓋與設(shè)計相關(guān)的故障，還可引起進度延遲、影響性能，通過試驗前的篩選可以使這些負面影響最小化。ESS 主要好處如：減少成本、及時交付、改善交付后可靠性、改善用戶的置信度和/或滿意度、改善生產(chǎn)過程等。

2 ESS 實施的時機

ESS 一般在生產(chǎn)過程期間進行以探測零部件和工藝的潛在缺陷。ESS 還應(yīng)在環(huán)境試驗和可靠性驗證試驗前進行，尤其是對于要進行可靠性驗證試驗的產(chǎn)品。在可靠性試驗前進行篩選的原因是可靠性鑒定和驗收試驗（也叫驗證試驗-必須驗證可靠性指標或稱參數(shù)）的統(tǒng)計試驗方案是以產(chǎn)品服從指數(shù)壽命為基礎(chǔ)的，只有經(jīng)過篩選的產(chǎn)品才能基本滿足該要求（即達到浴盆曲線的故障率恒定期），可靠性驗證試驗才是有意義的。另外，篩選使用的是加速應(yīng)力（當然應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計極限應(yīng)力內(nèi)），可靠性用的是實際環(huán)境應(yīng)力，除了部分原本可在篩選中發(fā)現(xiàn)的故障不計成本放到可靠性試驗中去發(fā)現(xiàn)外，有相當多的缺陷不能在可靠性試驗中發(fā)現(xiàn)（尤其是高風險的試驗方案），得出的可靠性指標也是不真實、無意義的。

3 ESS 的計劃和管理

ESS 資源、培訓要求和詳細計劃（包括組件級別和規(guī)定剖面）在生產(chǎn)開始時就必須全部就緒。因為隨著組件生產(chǎn)過程從零件到印制板/模塊、單元、系統(tǒng)，返工的成本逐步上升。在盡可能低的組件級別發(fā)現(xiàn)缺陷就可以減少糾正措施的時間，使返工成本最小。ESS 可用于從零件到成品的任何生產(chǎn)等級。其目的就是以對合適生產(chǎn)的裝備無損害的方式篩選缺陷。經(jīng)有關(guān)管理部門同意，一些如等離子顯示器、真空管之類太易損的部件可不進行ESS，因為其設(shè)計屬性經(jīng)不起振動或溫度篩選。另外，篩選應(yīng)確立一個故障報告和糾正措施系統(tǒng)（FRACAS）。

4 不同級別ESS 的風險和效果

表1 提供了在不同級別和功能條件下進行ESS 的風險和效果。

表1 不同級別ESS 的風險和效果

5 通電監(jiān)測和性能檢測

在制訂一個篩選方案時，一個重要的考慮就是產(chǎn)品是加電還是不加電，監(jiān)測還是不監(jiān)測。除非是成品，PWA 通常不加電，因為它們在使用環(huán)境中不是孤立的產(chǎn)品。另外，在篩選過程中，不是總能得到合適的篩選設(shè)備來監(jiān)測PWA。另一方面，單元和系統(tǒng)應(yīng)該加電和監(jiān)測，因為它們作為孤立產(chǎn)品通常是運行的。除初始和最終檢測外，一般從“低溫到高溫”期間和每個循環(huán)的“高溫”駐留期間持續(xù)監(jiān)測產(chǎn)品運行。隨機振動時應(yīng)全程通電監(jiān)測，以及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品間隙性故障。

6 ESS 的剪裁

剪裁原則和隨機振動及溫度循環(huán)篩選應(yīng)力條件的剪裁方法參見GJB 1032-2020《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》。主要篩選參數(shù)的選擇如下：

1）隨機振動量級：隨機振動篩選量級的確定以剪裁輸入而獲得一個可接受的響應(yīng)為依據(jù)。振動探查是確定這些響應(yīng)最合理和直接的方法。應(yīng)在基準篩選量級的（-6 ～-10）dB（即rms （2 ～3）g）下進行振動探查，也可用一個低量級的正弦振動掃頻來獲得整個頻譜上的共振響應(yīng)，若關(guān)鍵響應(yīng)測點的量級超出最大設(shè)計值，應(yīng)對嚴重共振頻率處（加速度傳遞率Q ≥10）處的譜值進行帶谷控制，需要注意的是，振動篩選控制加速度計應(yīng)采用螺接而非粘結(jié)方式。

2）溫度極值：溫度循環(huán)中的溫度極值影響著篩選的效果，溫度范圍（高低溫之差）決定了裝備在每個循環(huán)經(jīng)受的溫度應(yīng)力、應(yīng)變，范圍越大，故障出現(xiàn)越早。通過優(yōu)化溫度極值，可使激發(fā)缺陷的循環(huán)數(shù)最少。選擇溫度極值的關(guān)鍵是適當?shù)亟o產(chǎn)品施加應(yīng)力以激發(fā)缺陷而不損傷產(chǎn)品。溫度極值應(yīng)考慮下列關(guān)鍵因素：產(chǎn)品的儲存溫度（高溫和低溫）極限、元器件的最大通電和使用溫度。按美軍“環(huán)境應(yīng)力篩選指南”推薦范圍通常為：模塊溫度范圍125 ℃（（-50 ～75）℃）、單元溫度范圍110 ℃（（-40 ～70）℃）、系統(tǒng)溫度范圍100 ℃（（-40 ～60）℃）。

3）溫度變化速率：溫度變化速率既影響篩選效果也影響篩選的持續(xù)時間和成本。在溫度應(yīng)力篩選時，因為到產(chǎn)品表面的熱傳遞不均勻、產(chǎn)品表面和內(nèi)部之間的熱滯后、產(chǎn)品各部分不均勻的熱慣量等原因，加熱和冷卻是不均勻的。因此，整個產(chǎn)品可能存在瞬間的溫度梯度，這些溫度梯度和隨之產(chǎn)生的溫度應(yīng)力、應(yīng)變隨著溫度變化速率的增加而增加。溫度變化速率的選擇取決于產(chǎn)品和預(yù)期缺陷的屬性，如果溫度箱空氣溫度變化速率太高，或駐留時間太短、溫度箱空氣太慢，那么元器件溫度就達不到溫度箱空氣溫度極值。如PCB 鍍通孔之類元件用高溫變速率激發(fā)缺陷是最有效的，而對焊縫，用低溫變速率和高溫長駐留時間激發(fā)缺陷是最有效的。GJB 1032-2020 要求溫變速率不低于10 ℃/min（整個溫度變化范圍內(nèi)平均值），對于大型整機和系統(tǒng)，溫變速率可剪裁至5 ℃/min。美軍“環(huán)境應(yīng)力篩選指南”推薦溫變速率范圍為：PWA 篩選（15 ～20）℃/min；單元篩選（10 ～20）℃/min；系統(tǒng)篩選（10 ～15）℃/min。

4）溫度極值的駐留時間：溫度極值的駐留時間駐留時間由兩個因素組成，即元器件溫度穩(wěn)定需要的時間和將產(chǎn)品在溫度極值溫浸需要時間。

5）溫度穩(wěn)定時間：產(chǎn)品內(nèi)部部件最終達到溫度箱溫度要求的穩(wěn)定時間應(yīng)由溫度響應(yīng)測定確定。美軍“環(huán)境應(yīng)力篩選指南”推薦的溫度穩(wěn)定判據(jù)為：在篩選產(chǎn)品中當響應(yīng)性能最慢的有關(guān)部件的溫度在最終溫度的15 %以內(nèi)時就達到了溫度穩(wěn)定。而GJB 1032-2020 要求溫度達到穩(wěn)定的時間為達到規(guī)定箱內(nèi)溫度的時間與產(chǎn)品內(nèi)三個重要部位（不含高熱慣性部位）實測溫度均值與箱內(nèi)溫度差不大于10 ℃時的時間之差。

6）溫浸時間：溫浸時間要達到兩個目的，第一，可使焊錫發(fā)生蠕變，焊錫蠕變需要的時間約為5 min。第二，對于篩選時加電和監(jiān)測的產(chǎn)品，在溫度極值溫浸的時間能進行功能測試以發(fā)現(xiàn)在大氣溫度中不會出現(xiàn)的故障。美軍“環(huán)境應(yīng)力篩選指南”推薦的溫浸時間如下：不監(jiān)測產(chǎn)品：5 min。監(jiān)測產(chǎn)品：有足夠長時間進行功能測試或5 min，取較長者。

7）溫度循環(huán)次數(shù)：溫度循環(huán)次數(shù)影響篩選的效果、持續(xù)時間和成本，每個循環(huán)出現(xiàn)的故障數(shù)量通常從開始較低到迅速增加再到以指數(shù)下降至穩(wěn)定，當故障數(shù)量穩(wěn)定時通常就達到了最適宜的循環(huán)數(shù)。美軍“環(huán)境應(yīng)力篩選指南”推薦溫度循環(huán)數(shù)為：PWA 為20 至40 個循環(huán)，單元或系統(tǒng)為12～20 個循環(huán)。GJB 1032-2020 中缺陷剔除階段為10 個循環(huán)，無故障檢驗階段為10～20 個循環(huán)?？砂串a(chǎn)品實際情況進行剪裁，總循環(huán)數(shù)不小于10，無故障檢驗循環(huán)數(shù)不小于4。

7 結(jié)論

環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）是一種改善電氣、電子、光電、機電等組件和系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性相對便宜的缺陷剔除方法。本文通過ESS 的計劃管理、實施時機及實施原則等內(nèi)容的介紹，有助于保證ESS 計劃管理的準確實施。